早期的天然气液化制冷循环最关注的是如何将大量的天然气液化，而对成本问题考虑得比较少。在传统的天然气液化装置中，通常把原料气体压缩到接近或高于临界状态，在高压下冷却，然后在J-T阀中作等焓膨胀。最近几年来，如何提高液化效率方面的技术有了较大的进展。为了提高液化效率，减少能源消耗和原料气的消耗，气、液两相透平膨胀机的应用，对提高天然气液化装置的液化效率和降低能耗有重要的作用，特别是对于大型的液化装置。采用高压的液态冷剂在透平膨胀机内膨胀，可以降低液态冷剂的焓值，使天然气液化处理过程得到改进。
Conoco Phillips液化装置在级联式流程后面的LNG液体回路中采用气、液两相膨胀机，使流程得到优化，即LNG送去储存之前，使用气、液两相膨胀机（FLE），替代J-T阀对LNG减压。由于LNG在J-T阀内作等焓节流时，必然引起部分LNG闪蒸。而采用液体膨胀机以后，可以使LNG的焓值降低，减少了LNG的闪蒸，相当于增大了制冷量，使LNG的产量提高。
天然气液化流程中采用液体透平膨胀机，其安装位置有两种不同的方式：一种是安装在最后的LNG回路，使LNG膨胀，减少LNG的焓值，达到减少闪蒸的目的；另一种是用于制冷循环中的液态冷剂的膨胀。在LNG回路中采用膨胀机的方法，在阿曼的液化装置中得到了成功的应用。而在混合制冷剂循环回路中采用液体膨胀机的方法，在马来西亚的LNG装置中也得到了成功的应用。
通过增加系统的质量流量、提高系统的运行压力，以及在LNG回路中采用液体膨胀机，或在制冷循环中制冷剂液体回路采用膨胀机，可以大幅度减少液化装置的能耗。一个液化能力为7200t/d的天然气液化装置，每公斤LNG的能耗为1000kJ。图8-55为LNG透平膨胀机。图8-56为LNG液体膨胀机。
图8-55 LNG透平膨胀机
a）两相LNG膨胀机b）单相和两相LNG膨胀机串联
图8-56 LNG液体膨胀机
如果在混合制冷剂循环中应用液体膨胀机，制冷剂在高压下冷凝，温度高于LNG，然后在液体膨胀机中膨胀，使液体制冷剂的焓值降低，可以提高制冷循环的制冷能力。也可以在LNG回路中采用液体膨胀机，以减少LNG的闪蒸，减少的LNG质量Δm，取决于LNG焓值的下降。根据透平膨胀机工作时的LNG温度（TL）和LNG比热容cp，Δm可表示为
Δm=Δh/cp （8-24）
为了取出相应数量的焓值，假设理想卡诺循环的冷却温度为TS，则至少需要输入的功为
ΔWC=Δh（TS-TL）/TL （8-25）
式中，Δh是焓降；TS是海水温度；TL是LNG温度。
TL/（TS-TL）是卡诺循环的制冷效率。使用液体膨胀机可以减少LNG的焓值，但实际的制冷循环效率没有那么高，需要输入的功为ΔWA。ΔWA的值为3.75Δh。图8-57示出了LNG膨胀机在实际制冷循环中可减少的LNG的焓值Δh。
图8-57 实际循环与卡诺循环的比较
a）卡诺循环与LNG膨胀机
b）实际循环与LNG膨胀机
卡诺过程与实际过程的输入功的比值定义为ηA，表示实际的制冷循环的效率，在整个制冷过程中近似于常数。
ηA=ΔWC/ΔWA （8-26）
假定制冷膨胀机在理想的卡诺循环与LNG膨胀机减少的焓值Δh相同，但制冷剂温度TM更高，则在LNG较低温度TL的情况下，就需要额外输入功ΔWMC才能减少同样的焓值。
ΔWMC=Δh（TM-TL）/TL （8-27）
图8-58示出在卡诺循环下制冷剂膨胀机的h-T图。在较高温度TM下，通过（Δh+ΔWMC）减少制冷剂焓值后达到LNG焓降Δh。
图8-58 在卡诺循环下制冷剂膨胀机的h-T图
图8-59示出在实际循环下制冷剂膨胀机的h-T图。在实际循环中要获得同样的效果，在温度TM使用制冷剂膨胀机时，制冷剂焓降应当等于ΔhMA，即
ΔhMA=Δh+ΔWMA（TM-TL）/（TS-TL）=Δh[1+（TM-TL）/ηATL] （8-28）
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图8-59 在实际循环下制冷剂膨胀机的h-T图
总焓值的减少是TM的线形函数，当ΔhMA为0时，焓的变化曲线与温度坐标相交于TZ点。
ΔhMA/Δh=（TM-TZ）/（TL-TZ）=1+（TM-TL）/（ηATL） （8-29）
式（8-29）可简化为线性关系
TZ=TL（1-ηA）
如果在某一个温度点TM，制冷剂膨胀对焓的减少没有作用，这个温度点被定义为“冷却循环零点”，即TZ。在理想的卡诺制冷循环中ηA=1时，TZ=0K。使用制冷剂膨胀机的卡诺制冷循环，理论上LNG蒸发损失减少的最大值为：
式中，ΔhMA是制冷剂的实际焓降；TL是LNG温度；TM是制冷剂温度。
在ηA=0时，TZ与TL相等，必要的额外功ΔWMA变得无穷大。在这种情况下，制冷剂膨胀机对减少LNG蒸发损失没有作用。冷却循环零点TZ表示了使用液体膨胀机后的循环效率，TZ越小效率越高。
实际制冷循环效率ηA在0<ηA<1的范围，经过膨胀机膨胀，减少的焓值ΔhMA，对减少LNG蒸发损失Δh的影响可以用下式计算：
Δh=ΔhMAηATL/[TM-（1-ηA）TL] （8-31）Δh也可以用TZ来计算：
Δh=ΔhMA（TL-TZ）/（TM-TZ） （8-32）两个公式都包括了制冷剂温度等于LNG温度，即TM=TL时的膨胀，计算LNG膨胀机最理想的结果是Δh=ΔhMA。制冷剂膨胀机在制冷剂温度为TM时，对LNG蒸发损失量Δm的影响可按下式计算：
Δm=Δh/cp=[ΔhMA（TL-TZ）]/[cp（TM-TZ）] （8-33）
式中，ΔhMA是制冷剂膨胀机减少的比焓。
制冷剂膨胀和LNG膨胀在天然气液化装置的应用方法，也可以用于多种制冷剂的联级循环。在有N个冷却循环的连级循环中，每一个制冷剂膨胀机用不同制冷剂温度TMR（R=1，2，3，…，N），每一个冷却循环把膨胀机内的高压制冷剂膨胀，减少制冷剂的焓ΔhMAR为
ΔhMAR/ΔhR=（TMR-TZ）/（TL-TZ）=1+（TMR-TZ）/ηATL≥1 （8-34）制冷剂膨胀机减少LNG的焓等于ΔhR，减少LNG蒸发的损失是ΔmR
ΔmR=Δh/cp=[ΔhMAR（TL-TZ）]/[cp（TMR-TZ）] （8-35）
这些公式可以扩展用于计算每种制冷剂膨胀机所增加的LNG量：
式中，ηMR是制冷剂膨胀机的等熵效率；qm，MR是制冷剂膨胀机质量流量；ΔpMR是制冷剂膨胀机的进出压差；TMR是制冷剂膨胀的温度；g是重力加速度g=9.81m/s2。
联级循环中如果使用一台LNG膨胀机和N台制冷剂膨胀机，计算LNG蒸发损失总的减少量Δmtotal，应当考虑每一个膨胀机的影响。
ΔmTOTAL=ΔmLNG+∑ΔmR（制冷剂膨胀机R=1，2，3，…，N）
TMR=TL时，ΔmLNG=ΔmR
图8-60显示出联级循环情况下，各级制冷剂膨胀机对减少LNG的焓值和闪蒸损失Δhtotal的共同影响。举例中使用了一台LNG膨胀机，LNG膨胀机产生的焓降为Δh，3台制冷剂膨胀机（R=1，2，3），制冷剂的温度分别为TM1、TM2、TM3，制冷剂膨胀机产生的焓降分别为ΔhM1、ΔhM2、ΔhM3。系统总的焓降Δhtotal是LNG膨胀机产生的焓降Δh与每一台制冷剂膨胀机有效焓降ΔhR之和，即
Δhtotal=Δh+∑ΔhR （8-37）
如果不使用LNG膨胀机和制冷剂膨胀机，要达到同样的减少焓的效果，在以海水作冷却，海水温度为TS时，则需要输入的功为（Δhtotal+ΔWtotal）。制冷剂膨胀机增加LNG产量，显著改善液化流程的效率。制冷剂膨胀机的影响取决于制冷剂的温度，制冷剂的温度越低，对减少LNG蒸发损失的作用越大。各种制冷剂的膨胀机都将对LNG输出量产生一定的影响。
图8-60 联级循环中多种制冷剂膨胀机的影响
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